【關(guān)鍵詞】智能航行；分層架構(gòu)；航路規(guī)劃；路徑跟蹤

前言

無人艇（USV）是一種具備精確環(huán)境感知能力、無人駕駛和自主導(dǎo)航操縱特性的水面船只，可以由港口或母艇對其實施遠程操控，能在惡劣環(huán)境、危險區(qū)域執(zhí)行任務(wù)[1]，可最大限度地降低人員或士兵的生命風(fēng)險，在民用和軍事領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景[2]。無人艇的航行控制軟件是智能航行控制核心，本文介紹的控制軟件，遵循集成化、模塊化、高度自主性和協(xié)同性的設(shè)計原則，實現(xiàn)了對多艘不同尺寸無人艇的精確航行控制。

一、航行控制軟件設(shè)計

（一）無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計

智能無人艇控制系統(tǒng)一般由三部分組成：環(huán)境感知單元、智能控制單元和動力執(zhí)行單元。環(huán)境感知單元由定位定向設(shè)備、水環(huán)境感知設(shè)備、避障設(shè)備等組成；智能控制單元主要包括航路規(guī)劃、避障規(guī)劃等；動力執(zhí)行單元控制發(fā)動機換擋、加減油門，控制舵角轉(zhuǎn)向。

環(huán)境感知單元：對無人艇的航行環(huán)境進行感知，包括無人艇位置、艏向角、無人艇所處水面的水流情況、偏流角度、水深、周圍水面障礙物位置及尺寸、水下障礙物位置及尺寸、發(fā)動機及舵機狀態(tài)等，為智能控制解算單元提供輸入。

智能控制單元：根據(jù)環(huán)境感知單元提供的信息，進行無人艇航路規(guī)劃，并綜合無人艇實際位置和態(tài)勢信息以及規(guī)劃結(jié)果，計算轉(zhuǎn)向角度和發(fā)動機的檔位及油門大小，最終傳遞到執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行。

（二）智能航行模式控制流程

航行控制器接收到自主航行指令后，根據(jù)解析的外設(shè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)和障礙物數(shù)據(jù)，完成對無人船的全局路徑規(guī)劃及局部路徑調(diào)整。無人船要達到完全自主航行的能力，必須在全局路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上實時調(diào)整局部規(guī)劃的路線，依照全局規(guī)劃的路線航行時，遇到海圖上不存在的障礙物，如其他航行船只、錨泊船或浮標(biāo)時，應(yīng)基于環(huán)境感知設(shè)備檢測到的環(huán)境信息進行避障的局部路徑規(guī)劃，采用局部規(guī)劃的路徑進行航行[3]。

（三）無人艇控制軟件設(shè)計

航行控制軟件是無人艇智能控制的核心，運行于航行控制器上，主要完成對船載各設(shè)備的狀態(tài)信息采集，根據(jù)單艇控制指令或者編隊決策指令要求，自主規(guī)劃無人艇動作并依此完成對發(fā)動機及舵機的控制，控制器軟件工作環(huán)境框圖見圖2。

對航行控制器軟件進行分層架構(gòu)設(shè)計，分為感知模塊（communication）、自主規(guī)劃模塊（Coremodule）和執(zhí)行模塊（HWdriver）三部分，軟件分層架構(gòu)框圖見圖3。

主流程main函數(shù)根據(jù)任務(wù)流程要求進行設(shè)計，當(dāng)外部感知設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)明確時，即使前期軟件需求未完全明確，后期軟件更改維護也比較方便。智能航行控制器軟件的工作主流程見圖4。

二、軟件的工作模式切換

航行控制軟件有三種工作模式：有人模式、無人模式和自動模式，有人模式是指航行控制軟件只采集船上各設(shè)備的狀態(tài)信息并發(fā)送到顯控軟件進行顯示，而舵機和發(fā)動機由人直接操作控制，不受控制軟件控制；無人模式指航行控制軟件接收解析顯控軟件發(fā)送的控制指令，根據(jù)指令內(nèi)容控制發(fā)動機點火、熄火、啟動、停止、掛前進檔、后退檔、空檔及加減油等動作，控制舵機轉(zhuǎn)舵方向及轉(zhuǎn)舵值，執(zhí)行的是遙控操作；自動模式是控制軟件按照接收到的指令及信息，接收到自主航行指令后進行自主規(guī)劃航行路徑，進入自主巡航狀態(tài)，根據(jù)規(guī)劃結(jié)果或自守位狀態(tài)計算結(jié)果自主控制發(fā)動機和舵機執(zhí)行相應(yīng)的動作。

要保證無人船安全可靠航行，以下三方面的內(nèi)容不可少：一是穩(wěn)定的通信系統(tǒng)，保證無人船與岸基系統(tǒng)之間通信的實時性和數(shù)據(jù)交互的可靠性，如果通信中斷，在軟件流程中加入保護措施，保證無人船能夠安全返航；二是設(shè)計成熟的導(dǎo)航制導(dǎo)算法、安全的避障能力，確保無人船能夠按照給定路線自主穩(wěn)定運行，并對路徑上實時監(jiān)測到的障礙進行及時躲避；三是實時將船只位置、航行狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳送岸基系統(tǒng)，方便岸上人員實時掌握無人船狀態(tài)。

在遙控操作和自主巡航過程中，如果出現(xiàn)通信中斷、定位位置丟失、油量或蓄電池電量不足等問題，無人船的安全性將不能得到保障，軟件設(shè)計了對無人艇狀態(tài)的實時監(jiān)測，如果出現(xiàn)不正常的狀態(tài)，即可及時進行控制并實行航行模式切換，切換方式見圖5。

結(jié)論

本軟件已運用于多艘無人船艇，適用于對沃爾沃、康明斯、水星等廠家發(fā)動機的精確控制，多次航行試驗驗證：該軟件可靠性高，可連續(xù)工作72小時以上；控制精度可控，在三級海況下，自主航行路徑跟蹤精度可達10米。